Die Relative Biologische Wirksamkeit

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1 047_052_isb_akt.qxd :56 Uhr Seite 47 Relative Biologische Wirksamkeit von CASTOR-Neutronen am Beispiel von Chromosomenaberrationen in menschlichen Lymphozyten Relative biological effectiveness of CASTOR-neutrons in human lymphocytes Institut für Strahlenbiologie Aktuelle Themen Ernst Schmid Die Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) von monoenergetischen Neutronen wurde im Energiebereich zwischen 0,036 und 14.6 MeV anhand der Häufigkeit von Chromosomenaberrationen in menschlichen Lymphozyten bestimmt. Um mögliche interindividuelle Unterschiede in der Strahlensensibilität auszuschließen, beschränkte sich diese Untersuchung auf die peripheren Lymphozyten eines einzigen Blutspenders. Entsprechende Experimente wurden parallel dazu mit 60 Co-Gammastrahlung als Referenzstrahlung durchgeführt. Die darauf bezogenen RBW-Werte von Neutronen steigen mit zunehmender Energie von 67,1 bei 0,036 MeV auf einen Maximalwert von 94,4 bei 0,385 MeV an und verringern sich anschließend auf 16,4 bei 14,6 MeV. Dient 220 kv Röntgenstrahlung als Referenz, dann liegen die entsprechenden RBW-Werte um den Faktor vier niedriger. Dies liegt daran, dass sich wie in früheren Experimenten gezeigt die allgemein als Referenzstrahlung dienenden locker ionisierenden Gamma- und Röntgenstrahlen in ihrer biologischen Wirksamkeit erheblich unterscheiden. Auf der Basis unserer experimentellen Ergebnisse lassen sich Dosiswirkungskurven berechnen, mit denen die jeweilige RBW für jedes sorgfältig ermittelte CASTOR-Neutronenspektrum T he relative biological effectiveness (RBE) of various energies of monoenergetic neutrons (densely ionizing radiation) was investigated using the radiation-induced frequency of dicentric chromosomes in human lymphocytes as a biological marker. To exclude possible individual differences in radiation sensitivity, the investigations were performed using peripheral lymphocytes from a single donor. Similar experiments were performed in parallel using (sparsely ionizing) 60 Co γ-rays as a reference. Using 60 Co γ-rays as the reference radiation, the RBE values of the neutrons increased from 67,1 for neutrons of energy MeV, to a maximum value of 94.4 for neutrons of MeV, decreasing thereafter with a further increase of the neutron energy down to 16.4 for neutrons of 14.6 MeV. Different types of sparsely ionizing radiation have different RBEs, which affects the values calculated for the densely ionizing radiation. The RBE values calculated relative to 220 kv X-rays were lower by a factor of four than those calculated relative to 60 Co γ-rays. Using this extensive data set it is now possible to estimate the RBE for specific CASTORneutron spectra, assuming precise dosimetric investigation of the neutron and gamma fields. GSF 47

2 047_052_isb_akt.qxd :56 Uhr Seite 48 angegeben werden kann. Die direkte Messung der biologischen Wirksamkeit der aus den CASTOR-Behälter austretenden Neutronen, die das Bundesamt für Strahlenschutz im Rahmen eines Forschungsvorhabens plant, hat damit die Funktion einer Kontrolle und Demonstration am konkreten Beispiel. Unter der Relativen Biologischen Wirksamkeit einer Strahlenart versteht man das Verhältnis der Energiedosen, bei denen zwei miteinander verglichene Strahlenarten die gewählte Referenzstrahlung und die untersuchte Strahlung den gleichen biologischen Effekt hervorrufen. Chromosomenaberrationen in peripheren menschlichen Lymphozyten sind gut erkennbare Merkmale eines zellulären Schadens nach Einwirkung ionisierender Strahlung. Die Häufigkeit solcher Störungsformen eignet sich als quantitativer Indikator für die RBW, da sie unter definierten und reproduzierbaren Expositions- und Kulturbedingungen eindeutig mit der applizierten Strahlendosis korreliert ist. Seit Jahrzehnten werden daher die RBW-Werte von dicht ionisierender Strahlung wie Neutronen-, Protonen- oder α-strahlung durch deren Nachweis in in vitro-experimenten bestimmt. Dabei bezieht man sich zumeist auf dizentrische Chromosomen, die als besonders typisch für Strahlenschäden gelten. Da die Dosis-Wirkungs- Beziehungen (DWB) relativ häufig nichtlinear verlaufen, hängt die RBW im Allgemeinen von der Dosis ab; für den Strahlenschutz sind vor allem die Werte der RBW im Bereich kleiner Dosen von Bedeutung, d.h. es ist wichtig, den linearen Anteil (α-koeffizient) der linear-quadratischen DWB zu ermitteln. Problematisch ist dabei, dass die resultierende RBW der Neutronen davon beeinflusst wird, ob als Referenzstrahlung Röntgenoder 60 Co-Gammastrahlung verwendet wird. Denn diese beiden Strahlenarten unterscheiden sich in ihrer biologischen Wirksamkeit erheblich. Wir haben in den letzten Jahren selbst eigene Untersuchungen durchgeführt, die zeigten, wie stark die Induktion dizentrischer Chromosomen von der Art der Photonenstrahlung abhängt. Einige dieser Befunde sind in der Publikation 92 der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP) von 2003 zusammengestellt (Abb. 1). Dicentrics per cell / Gy kv 29 kv dicentrics 60 kv 220 kv 137 Cs Mean photon energy (MeV) 60 Co Abb. 1: Dosiswirkungskoeffizient a (± Standardfehler) für die Induktion von dizentrischen Chromosomen in menschlichen Lymphozyten als Funktion der mittleren Photonenenergie Vor zwei Jahren wurden wir vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) gebeten, im Rahmen eines im Wege einer beschränkten Ausschreibung vorgesehenen Forschungsvorhabens die Relative biologische Wirksamkeit der aus einem beladenen CASTOR- Behälter austretenden Neutronenstrahlung zu bestimmen. Dies sollte laut Leistungsbeschreibung durch einen Vergleich der Häufigkeiten von Chromosomenveränderungen in Blutproben erfolgen, die während einer bestimmten Zeitspanne (etwa 72 Stunden) einerseits durch CASTOR-Neutronen, andererseits durch eine Gammastrahlendosis (2 Gy) induziert werden. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch unzureichend. Um überhaupt mit einer quantifizierbaren Erzeugung von dizentrischen Chromosomen rechnen zu können, muss wenigstens eine Neutronendosis von etwa 1 mgy erreicht werden, und zusätzlich müssen weit mehr Zellen ausgewertet werden. Eine Energiedosis von 1 mgy Neutronen, also eine Äquivalentdosis von etwa 20 msv, lässt sich nämlich an keinem CASTOR-Behälter an irgendeiner Stelle seiner Oberfläche in der vorgegebenen Zeitspanne erreichen. Der von dem BfS vorgeschlagene Versuch hätte somit nur der Demonstration dienen können, dass unter den vorgegebenen Umständen kein Effekt beobachtet werden kann. Dieses Ergebnis hätte sehr wenig Aussagekraft gehabt und wäre in jedem Fall nur der Ausgangspunkt gewesen, um die RBW von 48 GSF

3 047_052_isb_akt.qxd :56 Uhr Seite 49 Abb. 2: Messplatz 5 der Messhalle des Chadwick- Baues der PTB in Braunschweig Abb. 3: Blutprobe vor der dem Neutronenstrahl zugewandten Backing-Oberfläche unter null Grad zur Strahlrichtung Aktuelle Themen CASTOR-Neutronen in weit aufwändigeren Untersuchungen zu bestimmen. Trotz der grundsätzlichen Bereitschaft des Fachbereiches 6.4 (Neutronendosimetrie) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, sich als dosimetrischer Partner an einem Experiment zu beteiligen, das die biologische Wirkung von CASTOR-Neutronen auf menschliche Lymphozyten misst, und trotz unserer grundsätzlichen Bereitschaft, in sinnvoller Form zur Beantwortung der gestellten Frage beizutragen, konnten wir aus den angeführten Gründen kein Angebot abgeben. Stattdessen haben wir in einem Gemeinschaftsprojekt der GSF (Institut für Strahlenbiologie, Institut für Strahlenschutz) mit der PTB die RBW von Neutronen bei 7 Energienstufen zwischen 0,036 MeV und 14,6 MeV bestimmt. Als Referenzgröße für die ionisierende Strahlung wurde das 60 Co-Photonenfeld gewählt. Die Verwendung der Kobaltquelle hat gegenüber Röntgenanlagen den Vorteil, dass die Strahlenqualität eindeutig definiert ist, während bei der Röntgenstrahlung die Strahlenqualität von der Erzeugungsspannung und Filterung abhängt. Untersucht wurde die Häufigkeit der dizentrischen Chromosomen in menschlichen Lymphozyten nach in vitro-bestrahlung mit monoenergetischen Neutronen von 0,036 MeV, 0,141 MeV, 0,385 MeV, 0,565 MeV, 1,151 MeV, 4,85 MeV und 14,6 MeV sowie parallel dazu mit 60 Co-Gammastrahlung. Um Einflüsse einer möglichen individuellen Strahlenempfindlichkeit zu vermeiden, wurde bei allen Experimenten nur Venenblut ein und desselben gesunden Blutspenders verwendet. Die Bestrahlung der Blutproben mit 60 Co-Gammastrahlung erfolgte an der Kobaltquelle des Röntgenbaus der PTB in einem Miniphantom (7 x 2,3 x 11,5 cm) bei einer Dosisleistung von 0,5 Gy min -1. Alle Neutronenexperimente wurden in der Messhalle des Chadwick-Baues der PTB durchgeführt (Abb. 2). Die 0,030 bis 0,565 MeV Neutronenfelder wurden über die Reaktion 7 Li(p,n) 7 Be erzeugt, das 1,2 MeV Neutronenfeld über die Reaktion 3 H(p,n)3He, das 5,0 MeV Neutronenfeld über die Reaktion 2H(d,n)3He und das 14,8 MeV Neutronenfeld über die Reaktion 3H(d,n) 4 He. Die Neutronenfluenz wurde mit einem Protonenrückstoßzähler unter null Grad zur Strahlrichtung gemessen. Durch Faltung der spektralen Neutronenfluenz am Ort der Blutprobe (Abb. 3) mit der Energieverteilung der Kermafaktoren für Blut wurde die spektrale Kerma (Kinetic energy released in matter) berechnet. Die Faltung wurde für das ungestreute und gestreute Neutronenspektrum separat durchgeführt. Als Beispiel ist in Abbildung 4 das Ergebnis für 0,565 MeV Neutronen dargestellt, gemeinsam mit der Verteilung der Kermafaktoren. Da dizentrische Chromosomen einen regulären Mitoseablauf infolge von Brücken- GSF 49

4 047_052_isb_akt.qxd :56 Uhr Seite 50 Gy/MeV µc Gy cm 2 K E (E) / Q MeV 0.7 E Kerma in adult blood (uc neutrons) Kerma in adult blood (sc neutrons) Kerma factor for adult blood (ICRU 46) Abb. 4: 0,565 MeV Neutronen: Spektrale Kerma für ungestreute und gestreute Neutronen (linke Skala) sowie spektrale Verteilung der Kermafaktoren (rechte Skala) in der Blutprobe bildung zwischen beiden Tochterzellkernen behindern oder verhindern können, sind die aus einer solchen Zellteilung stammenden Lymphozyten nicht stabil. D.h., nach einem weiteren Zellzyklus in vitro nimmt die Häufigkeit der Aberrationen ab. Eine korrekte Bestimmung der strahleninduzierten Aberrationsrate in proliferierenden Zellkulturen erfordert es also, sich bei der Chromosomenanalyse auf die erste Zellteilung nach Bestrahlung zu beschränken (Abb. 5, links). In den PTB-Experimenten können alle Zellen, die mehr als einen Zellzyklus nach Bestrahlung durchlaufen haben, mit Hilfe der Fluoreszenz-plus-Giemsa-Färbetechnik an Chromosomen erkannt werden, die aufgrund ihres charakteristischen Schwarzweiß-Musters Harlekin -Chromosomen genannt werden (Abb. 5, rechts). Auf diese KF(E) Weise wird ausgeschlossen, dass weitere Zellteilungen die Bestimmung der Aberrationsrate verfälschen. Die unbestrahlte Blutprobe des Spenders unterschied sich hinsichtlich der Häufigkeit von dizentrischen Chromosomen im Blut und in den abgetrennten Lymphozyten mit 4 in Zellen nicht signifikant vom entsprechenden Mittelwert, den eine Kontrollanalyse des GSF-Labors ergab. Dabei wurden in Zellen von 141 gesunden, unbestrahlten Personen insgesamt 38 dizentrische Chromosomen gefunden. In den 7 Experimenten mit Neutronenenergien zwischen 0,036 MeV und 14.6 MeV wurden insgesamt Zellen, für den Befund mit 60 Co-Gammastrahlung insgesamt Zellen ausgewertet. Die interzelluläre Verteilung der beobachteten dizentrischen Chromosomen in Abhängigkeit von der Dosis der 60 Co-Gammastrahlung entspricht einer Poisson-Verteilung, die durch eine linear-quadratische Funktion beschrieben (y = c + αd + βd 2 ) wird. Dagegen wurde bei 14 von 38 Neutronendosen, die in den einzelnen Experimenten analysiert wurden, eine signifikante over dispersion gefunden, d.h. die Varianz war eindeutig größer als der Mittelwert. Die Dosisabhängigkeit wurde jeweils mit einer linearen Funktion modelliert (y = c + αd), wobei die α-koeffizienten eine klare Abhängigkeit von der Neutronenenergie zeigen (Abb. 6). Danach rufen monoenergetische Neutronen in menschlichen Lymphozyten die größte biologische Wirkung bei einer Energie von etwa 0,4 MeV hervor. Abb. 5: Metaphasen von menschlichen Lymphozyten im ersten (links, Pfeil zeigt auf ein dizentrisches Chromosom) und zweiten Zellteilungszyklus (rechts, Harlekin-Färbung) 50 GSF

5 047_052_isb_akt.qxd :56 Uhr Seite 51 Abb. 6: Dosiswirkungskoeffizienten α (± Standardfehler) für die Häufigkeit von dizentrischen Chromosomen in menschlichen Lymphozyten nach Bestrahlung mit monoenergetischen Neutronen sowie deren RBW relativ zu 60 Co-Gammastrahlung Energie Strahlenart Dosisbereich Anzahl Linearer RBW (MeV) (Gy) der Zellen Koeffizient relativ zu α [Gy -1 ] 60 Co-Gamma 1, Co-Gamma 0,25 4, ,011 ± 0, Neutronen 0,0036-0, ± ± Neutronen 0,0219-0, ± ± Neutronen 0,0151-0, ± ± Neutronen 0,0213-0, ± ± Neutronen 0,0245-0, ± ± Neutronen 0,0490-0, ± ± Neutronen 0,0690-0, ± ± 6.8 Aktuelle Themen Auf der Basis dieser Messwerte und unter Berücksichtigung der berechneten Dosiswirkungskurven kann die RBW jetzt für jedes sorgfältig ermittelte CASTOR-Neutronenspektrum angegeben werden. Die direkte Messung am CASTOR, die im UFO-Plan 2004 des BfS erneut vorgesehen ist, hat damit die Funktion einer Kontrolle und Demonstration am konkreten Beispiel. Wie anfangs geschildert, hängt die für Neutronen ermittelte RBW davon ab, welche Photonenstrahlung als Referenz gewählt wird. Hinsichtlich der Ausbeute dizentrischer Chromosomen haben Neutronen mit einer Energie von 0,385 MeV bei niedriger Dosis (Verhältnis der jeweiligen α-koeffizienten) bezogen auf 60 Co-Gammastrahlung den mit 94 höchsten RBW-Wert (Abb. 6), für weich gefilterte 220 kv Röntgenstrahlung jedoch den Wert 23. Insgesamt ergaben sich die besonders großen RBW-Werte für Neutronen im Energiebereich zwischen 0,036 und 1,151 MeV, und dies bei niedrigen Strahlendosen (< 0,2 Gy). Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil dieser Energiebereich dem der CASTOR-Neutronen entspricht. Die einzelnen α-koeffizienten der analysierten Neutronenstrahlungen und ihre Abhängigkeit von der Neutronenenergie sind ebenfalls in der Publikation 92 der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP) von 2003 zusammengestellt (Abb. 7). Ein Vergleich der α-koeffizienten für Photonen in Abb.1 macht deutlich, welche Vielfalt an RBW-Werten abgeleitet werden kann, wenn einerseits die Neutronenenergie, andererseits die Referenzstrahlung variiert wird. Die hier vorgelegten Ergebnisse lassen nicht unmittelbar den Schluss zu, unter welchen Bedingungen Neutronen die Entstehung von Krebs im menschlichen Organismus begünstigen. Ein Grundsatz jeder Diskussion des Strahlenrisikos ist, dass Zahlenwerte der RBW möglichst aus epide- RBE vs. 60 Co γ-rays α / Gy monoenergetic neutrons RBE vs. 1 Gy γ-rays linear coefficient for dicentrics RBE M neutron energy / MeV Abb. 7: Dosiswirkungskoeffizient α (± Standardfehler) für die Induktion von dizentrischen Chromosomen in menschlichen Lymphozyten als Funktion der Neutronenenergie sowie die RBW relativ zu 60 Co-Gammastrahlung bzw. zu 1 Gy der 60 Co-Gammastrahlung GSF 51

6 047_052_isb_akt.qxd :56 Uhr Seite 52 miologischen Erhebungen am Menschen, ersatzweise aus den mit ausreichender Genauigkeit möglichen Beobachtungen am Versuchstier ermittelt werden müssen, damit die systemischen Einflüsse auf die Karzinogenese, z.b. die Immunabwehr und der Promotionsmechanismus, mit erfasst werden. Gleichwohl sind die geschilderten in vitro-experimente an Einzelzellen unerlässlich, um die zur Orientierung benötigten Zusammenhänge zu erkennen. Dies gilt vor allem für die biophysikalischen Mechanismen, auf denen die von der Strahlenqualität abhängigen Unterschiede in der biologischen Wirksamkeit beruhen. Ausgewählte Veröffentlichungen ICRP, Relative biological effectiveness (RBE), quality factor (Q), and radiation weighting factor (w R ). Publication 92, Annals of the ICRP, Pergamon Press, Oxford (2003) Schmid, E., Regulla, D., Guldbakke, S., Schlegel, Roos, M.: Relative biological effectiveness of 144 kev neutrons in producing dicentric chromosomes in human lymphocytes compared with 60 Co gamma rays under head-tohead conditions. Radiat Res 157: (2002) Schmid, E., Schlegel, D., Guldbakke, S., Kapsch, R.-P., Regulla, D.: RBE of nearly monoenergetic neutrons at energies of 36 kev-14.6 MeV for induction of dicentrics in human lymphocytes. Radiat Environ Biophys 42:87-94 (2003) 52 GSF

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